基于Abaqus 的土工格柵加筋路堤邊坡穩定性分析

韓娜娜

（貴州裝備制造職業學院，貴州 貴陽 551499）

在多山的地區修建高速公路時，因其地貌水文，地形特點等原因，難免會遇到需要填筑的高臺路堤或者需要挖除一定深度的路塹情況，這樣就會面對一定的難題[1]，如高速公路邊坡大變形沉降及坡體的滑落，進而引發高速公路路面的破壞等問題[2]。就目前而言影響土體加筋效果的原因有很多，研究這些原因對于路堤穩定性的影響很有必要[3～5]。本研究主要使用的技術手段為Abaqus 有限元軟件建立模型，分別對加筋與未加筋，加筋間距大小建立出相應的模型進行計算分析，最后分別對模擬計算結果作出對應的位移穩性分析。在這里應用強度折減原理計算模型的穩定系數[6]。

1 本構模型的選取

在采用有限元建模進行模擬時，需要對各個單元的構建進行區分材料模擬，對于主要的土體結構而言，由于土體自身結構的特殊性，比如其的多孔非聯系性，從力學角度出發又是彈塑性體，同時也是各向異性體，這就導致其內部受力的應力與應變之間很復雜，因此在數值模擬中找到合適的本構模型進行土體的模擬就尤為重要，要在數值模擬中找到一種合適的模型對土體進行模擬就要對比本構模型的理論和本質區別，選擇最佳的模型。對于本工程路堤邊坡的模擬最佳的選擇是Mohr-Coulomb，因為在其對工程中的巖土體進行分析研究時，能夠顯而易見的反映出土體的內部的塑性區域的變形及土體身的破壞狀況，但其也有局限性即缺點，比如在土體破壞前期不能直觀的反應其非線性變形特點。

盡管M-C 模型還不能真實的模擬土體反映其變形特征，但是它已經有模擬土體的最佳優點。因此，在綜合考慮各方面的影響因素后，本研究選取M-C 模型，來對路堤邊坡的穩定性問題進行研究[7～9]。

1.1 屈服面

Mohr-Coulomb 模型采用Mohr-Coulomb 屈服條件，其屈服面函數為

1.2 塑性勢面

對于Mohr-Coulomb 模型來說，由于其屈服面上存在尖角的問題，因此在使用流動法則使其塑性勢面與屈服面保持一致，就容易出現計算結果不收斂的問題。為了解決這些問題，Abaqus 采取以下方式的塑性勢面：

式中：e 為π 平面上的偏心率，它決定了塑性勢面的形狀，其取值范圍為(0.5,1)。

以Mohr-Coulomb 為屈服準則的理想彈塑性模型不能反映加卸載模量的差異和土體的壓硬性，因此在做開挖工程時不宜選用，但是在運行計算路堤邊坡的強度和穩定性時能使計算結果更加的合理話，因此本研究選用以Mohr-Coulomb 為屈服準則的理想彈塑性模型。

2 數值模型的建立

2.1 基本假定

此模型為理想的彈塑性模型，對于地下水、地表水滲漏、地震荷載、交通荷載、土壤固結、土壤溫度敏感性等因素進行忽略，為使模型計算分析更加便捷，現對其作出以下假設。

假設1：填筑的材料表面分布是均勻的，忽略溫度影響；

假設2：斷面各土層表面是相對水平的；

假設3：用模型計算結果是否收斂來認定模擬的工程是否穩定，如果計算中模型不收斂，無法進行計算，那么說明路堤邊坡已經失去平衡而破壞。

2.2 模型的建立

在本模型中，土體使用Mohr- Coulomb 模型，土工格柵所采用的為Abaqus 中的Truss 單元，土工格柵根據其自身只能承受拉力的特性，因此在Abaqus 中的命令中的設置為*No com-pression。土工格柵與土之間的接觸使用的命令是Constraints，對于兩者之間在力的作用下而相互作用時采用嵌入式來處理，使用Embedded region 嵌入路堤之中，用強度折減原理計算模型的穩定系數，見表1～表2。

表2 土工格柵參數表

依據某實際高速公路工程路堤邊坡工程進行建模，建立與現場相同的斷面模型。根據路堤的對稱性，選取其中一邊的路堤邊建模。此工程的邊坡形式是兩級邊坡的形式，邊坡中設有2.5 m 的平臺，坡比為1:1，根據工程的實際狀況，建模時邊坡高21 m，破壁為1:1，坡頂的平面為14 m，地基的深度為11 m。主要對路堤截面進行分析，因此使用二維建模即可，建模時模型地基底部完全約束住，左右兩邊也是水平約束固定，上部是自由活動的，見圖1。

圖1 路堤邊坡模型及網格劃分

3 計算結果分析

3.1 加筋與未加筋路堤變形分析

增大逐漸是增大的，那么路堤在土體的自重下，應力向下傳遞逐漸增大，在路堤中心處應力達到最大，且向兩邊逐次遞減，在中間邊坡處土體的邊緣處沉降更大，是因為土體內部相當于有約束限制，土體不同，彈性模量的大小也不一樣，自然沉降也有差異。

表3 中的工況四中，加入土工格柵后土體的沉降明顯有所減小，整體的分布變化趨勢和不加土工格柵時幾乎一致，塑性區都是最開始在坡腳處，然后沿著一定角度方向向內延申，最后僅在邊坡坡腳處出項部分塑性區，由此可見土工格柵對于分散路堤邊坡內部的應力有一定的作用。

表3 中的工況一結果顯示，自重應力隨著深度的

表3 模型計算方案

3.2 不同加筋間距下路堤變形分析

對表格3 中的工況二至工況五進行路堤邊坡位移分析。圖2～圖5 為在相同的折減系數下的4 種不同加筋間距鋪設下路堤的塑向及側向位移。

圖2 相同折減系數下加入土工格柵后路堤豎向位移

圖3 相同折減系數下加入土工格柵后路堤側向位移

圖4 極限狀態下加入土工格柵后路堤豎向位移

圖5 極限狀態下加入土工格柵后路堤側向位移

由圖2 可知，路堤的塑向位移，沿著路堤中心處距離總的變化趨勢是沉降先變大后變小，在最小的加筋間距為0.4 m 時，路堤的豎向位移總體為最小，為11.7 cm，而當加筋間距最大為1 m 時，最大的沉降變形為12.6 cm，最大和最小加筋間距的沉降減小的幅度為7.7%。

由圖3 可知，隨著間距的增大，土工格柵路堤邊坡的側向位移沿著路堤中心處逐漸增大，加筋間距為0.4 m，0.5 m，0.8 m，1 m 時所對應的最大位移分別為4.8 m，5.5 m，6.8 m，7.5 m，相應增幅分別為12.4%，16.3%，9.4%，同樣減幅亦是如此，由此可知，當加筋間距為0.8 m 時，其效果最好。

在相同極限狀態下的加筋路堤沿著路堤中心處的豎向位移，總的曲線變化幅度不大，且0.4 m 與0.5 m 曲線的沉降變化不大，0.8 m 和1 m 的曲線變化也不大，而最大間距和最小間距的沉降變化相差較大，說明在極限平衡狀態下，土工格柵間距越小，其所能夠負擔的變形也就越大。

由圖5 可知，不同的加筋間距所對應的邊坡的側向最大位移出現的位置也有所不同，原因是土體加筋間距越小，所使用的格柵越多，使得加筋土體整體剛度越大，變形越小，變形最大位移向外擴散。

4 結論

本研究通過Abaqus 建立路堤邊坡模型，對邊坡的位移進行分析，得到以下結論。

（1）加入土工格柵后土體的沉降明顯有所減小，整體的分布變化趨勢和不加土工格柵時幾乎一致，塑性區都是最開始在坡腳處，然后沿著一定角度方向向內延申，最后僅在邊坡坡腳處出項部分塑性區，由此可見土工格柵對于分散路堤邊坡內部的應力有一定的作用。

（2）加筋間距對于路堤邊坡穩定性影響較大，加筋間距越小，加筋土體的剛度越大，邊坡的變形越小，說明增強效果越顯著，但是如果加筋間距布置過小，則土工格柵之間也會出現干擾，因此增強效果就會減弱。那么就本研究的工程而言，加筋間距布置為0.8 m時較為合理。

（3）有限元軟件能夠有效模擬出路基在受荷作用下的工作性狀，是一種非常有效的分析路基工作狀態的軟件。